摩托車磁流變減振器的設(shè)計(jì)

洪志聰

摘 要：磁流變液能夠智能化地控制摩托車的減振效果，在摩托車減振器的設(shè)計(jì)上有重要的應(yīng)用。該文對磁流變液及流變特性進(jìn)行研究，以磁流變減振器的工作模式為基礎(chǔ)，進(jìn)行摩托車磁流變減振器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：磁流變 減振器 摩托車

中圖分類號：U483 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0098-01

磁流變材料的工作電壓最大只有幾十伏，有效克服了電流變材料要求的高壓特性；另外，磁流變材料的剪切屈服應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電流變材料，加之對雜質(zhì)影響不敏感的特性，磁流變材料在結(jié)構(gòu)振動控制以及車輛工程等領(lǐng)域有很大的優(yōu)勢。

1 磁流變及流變特性

一些特殊的液體當(dāng)受到外加磁場的作用時(shí)，它們的流體特性會產(chǎn)生顯著改變，達(dá)到閾值的磁場甚至?xí)?dǎo)致流體固化；一旦外加磁場被移除，流體又恢復(fù)原來的特性；這樣的流體被稱為磁流變體，這種效應(yīng)被稱為磁流變效應(yīng)。

磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理主要有兩種理論[1]：相變理論和場致偶極子理論。相變理論的觀點(diǎn)是：當(dāng)沒有外加磁場時(shí)，磁極化粒子的運(yùn)動軌跡只受熱運(yùn)動的影響，運(yùn)動狀態(tài)是隨機(jī)的；一旦外加磁場的強(qiáng)度達(dá)到一定閾值，磁極化粒子就會被極化，此時(shí)磁場和熱運(yùn)動的相互作用會使粒子變得有序，當(dāng)外加磁場足夠強(qiáng)時(shí)，這種順序就會變?yōu)殚L鏈，最終導(dǎo)致固態(tài)相的產(chǎn)生。場致偶極矩的觀點(diǎn)是：外加磁場導(dǎo)致磁極化粒子磁化成磁偶極子，而且這些磁偶極子相互成鏈。

磁流變體的連續(xù)相（載體液）主要有兩種：非極性的和有極性的。顧名思義，非極性的連續(xù)相很少會受到磁場的影響；而有極性的連續(xù)相會因?yàn)橥饧哟艌龅淖饔枚鴮?dǎo)致極性分子產(chǎn)生有序化。磁流變體的分散相的極化有粒子體內(nèi)極化、粒子表面雙電層極化以及界面極化：粒子體內(nèi)極化主要表現(xiàn)為電子、離子的位移極化和偶極子的轉(zhuǎn)向極化；雙電層極化是粒子表面的電荷層在磁場作用下產(chǎn)生的電荷不均勻分布；界面極化主要指的是分散相粒子在連續(xù)相界面處因?yàn)榇呕什煌瑢?dǎo)致的不均勻分布。不同極化方式的時(shí)間長短不一，對磁流變效應(yīng)的影響也不盡相同。一般而言，當(dāng)磁流變體受到高頻磁場的作用時(shí)，其磁流變效應(yīng)會變得尤為微弱；反之，低頻磁場會使磁流變效應(yīng)相對較強(qiáng)。

磁極化顆粒間的分子力會使顆粒聚集成團(tuán)，磁流變體的這種結(jié)團(tuán)現(xiàn)象主要采用表面活性劑處理，也就是在載體液中加入比磁極化顆粒更小的硅膠。表面活性劑的組成部分主要是親油基和親水基，親油基伸展在載體內(nèi)進(jìn)行熱擺動，而親水基只會吸附到顆粒表面；一旦表面含有親水基的磁極化顆粒相互靠近，就會阻礙親油基的熱擺動，表面活性劑的這兩種組成成分就會產(chǎn)生相互排斥的作用力，以阻礙磁極化顆粒的相互靠近。

2 磁流變減震器的工作模式

當(dāng)在減震器內(nèi)運(yùn)動時(shí)，磁流變液的運(yùn)動近似等于無限大平行平板間的運(yùn)動形式。一般而言，磁流變減振器有如下幾種[2]：閥式、擠壓式、剪切閥式以及剪切式。

閥式磁流變減振器在兩個固定上動的極板間充滿磁流變液，外加磁場垂直作用于兩極板；隨著外加磁場的變化，磁流變液的流動性你也會產(chǎn)生變化，推動磁流變液的活塞阻力也隨之變化，從而控制阻尼力；閥式磁流變減振器的典型代表是Lord公司研制生產(chǎn)的單出桿磁流變減振器。對剪切式磁流變減振器而言，它有兩個相對運(yùn)動的極板，極板間充滿磁流變液，外加磁場垂直作用于磁流變液，外加磁場的變化導(dǎo)致磁流變液的流動性能產(chǎn)生變化，導(dǎo)致發(fā)生變化的推動極板的活塞可以控制阻尼力。擠壓式磁流變減振器也是在兩個基本間充滿磁流變液體，但兩個極板間的距離因?yàn)閿D壓而變得越來越小，因此磁流變液向四周流動，外加磁場垂直于磁流變液，同時(shí)又平行于磁流變液的運(yùn)動方向，磁流變液的這種流動性能變化導(dǎo)致推動活塞的阻力變化，從而影響外加磁場控制阻尼力；擠壓式磁流變減振器的工作模式適合設(shè)計(jì)開發(fā)行程較小的減振器。

磁流變液在受到上施加磁場的作用下會表現(xiàn)為自由流動的牛頓流體，其剪切應(yīng)力等于液體流速對坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)和磁流變液的粘度系數(shù)的乘積。外加磁場的作用導(dǎo)致磁流變液的流變性能產(chǎn)生變化，其真實(shí)本構(gòu)關(guān)系可以包括屈前區(qū)和屈后區(qū)兩部分，屈后區(qū)的磁流變液的剪應(yīng)力受到磁場強(qiáng)度和剪應(yīng)變速率兩個因素的影響。

閥式減振器的組成部分主要包括活塞、內(nèi)外缸筒以及活塞桿[3]。內(nèi)外缸間組成了旁路環(huán)形通道，磁流變液的工作間隙就限于此通道中。為了確保活塞雙向運(yùn)動過程中兩側(cè)油缸的凈截面積一樣，兩端的活塞桿直徑要一樣大。另外，缸筒上的激勵磁線圈會產(chǎn)生工作磁場，外力作用導(dǎo)致的活塞左右移動會強(qiáng)迫磁流變液流經(jīng)內(nèi)外缸間的旁路環(huán)形間隙，這樣就產(chǎn)生了磁流變效應(yīng)。剪切式減振器的組成部分主要包括缸筒、缸外循環(huán)流通道以及活塞三部分。當(dāng)缸外循環(huán)流通道的截面積足夠大時(shí)，磁流變液在里面流動受到的阻力就比較小，活塞和缸筒間的環(huán)形間隙是磁流變液的工作間隙。剪切閥式減振器由缸筒和活塞兩部分組成，活塞和缸筒間的空隙是磁流變液的工作間隙。

3 磁流變減震器設(shè)計(jì)

磁路是磁流效應(yīng)的基礎(chǔ)，磁路設(shè)計(jì)的好壞會直接影響磁流變減振器的性能。在磁流變減振器的磁路設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定磁路各個部分的尺寸、形狀以及激勵磁線圈匝數(shù)等，從而控制磁流變減振器的磁化效果[4]。

外加磁場的作用能夠改變磁流變液的流動方式，磁流變液的可磁化微粒會沿著磁場方向運(yùn)動，從而排列為鏈狀結(jié)構(gòu)。考慮到在垂直于磁場方向的流動特性變化比較明顯，所以在設(shè)計(jì)磁流變減振器時(shí)最好使阻尼通道中的磁流變液的流動方向垂直于磁場方向，這樣能夠充分利用磁流變效應(yīng)，以改變磁流變減振器的阻尼力。在分析磁路中的磁通量和磁動勢的關(guān)系時(shí)，需要用到磁路歐姆定律及安培環(huán)路定律。磁介質(zhì)組成的磁場中，沿著所有閉合曲線的磁場強(qiáng)度的環(huán)流大小和閉合曲線中所圍繞的自由電流的和相等。另外，考慮到磁阻的大小和磁路長度之間是正比例關(guān)系，而與磁導(dǎo)率以及磁路段橫截面積成反比，所以設(shè)計(jì)磁路時(shí)可以調(diào)整這三個參數(shù)來調(diào)節(jié)磁阻的大小。

4 結(jié)語

該文首先對磁流變體及磁流變效應(yīng)進(jìn)行研究，然后分析了磁流變減振器的工作模式和各種模式的磁流變減振器的阻尼力，最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行磁流變減振器的設(shè)計(jì)，對摩托車磁流變減振器的研究有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙丹俠.基于多級徑向流動模式的磁流變液減振器理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[2] 鞠銳，廖昌榮，周治江，等.單筒充氣型轎車磁流變液減振器研究[J].振動與沖擊，2014.

[3] 賈永樞，翁茂榮，周孔亢，等.基于三維有限元的磁流變減振器磁路分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014.

[4] 閆占輝，李曉冬，賀會超.一種新型汽車磁流變液減振器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2014.